CN108637860A - 基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置及方法，该装置包括机器人、安装在所述机器人执行末端的拉丝工具和力控机构，所述拉丝工具包括用于对高铁白车身进行拉丝作业并形成所需表面纹路的拉丝滚轮，所述力控机构用于实时检测高铁白车身拉丝过程中的实际法向力，并据此控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度，以使实际法向力处于设定的参考力范围之内。本发明通过多机器人协调工作，尤其是通过力/位、视觉/拉丝力双重控制，实现高铁白车身拉丝的精细化控制，并代替传统的人工作业方式，有效降低人力资源的消耗。

Description

基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置及方法
技术领域
本发明属于工业机器人自动化加工技术领域，具体涉及一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置及方法。
背景技术
高铁是中国制造的一张黄金名片，被誉为“新四大发明”之一，代表整个国家的制造水平和科技实力，是一种国际影响力和国际地位的综合体现。白车身是高铁整车上最重要的大型复杂结构件，是高铁列车之“骨”，为先进轨道交通装备“重点产品”技术路线中的重要一环，其制造性能、可靠性直接影响着高铁列车的发展。
围绕高铁白车身自动化生产，国内外已在车身型材焊接、焊缝打磨、拉丝、腻子打磨、喷漆等制造工艺方面开展了大量的探索研究。然而人工比重大、作业环境恶劣、效率提升有限仍然是当前我国高铁白车身制造面临的瓶颈，这其中，以白车身拉丝尤为突出。拉丝是当前较流行的一种无涂装金属表面处理技术，主要用于替代传统的油漆涂装表面处理方法，能显著减少喷砂、防锈漆、腻子、中涂漆、面漆或是清漆施工工序间的质量隐患，并在节能减排、提升生产效率、改善作业环境等方面体现巨大优势。
在高铁拉丝自动化生产线上应用机器人技术为高铁的高效精确生产提供了新思路。其技术难题主要在于：1)最优轨迹规划；2)多机器人协调技术；3)机器人手眼闭环控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置及方法，它通过多机器人协调工作，尤其是通过力/位、视觉/拉丝力双重控制，实现高铁白车身拉丝的精细化控制，并代替传统的人工作业方式，有效降低人力资源的消耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，包括机器人、安装在所述机器人执行末端的拉丝工具和力控机构，所述拉丝工具包括用于对高铁白车身进行拉丝作业并形成所需表面纹路的拉丝滚轮，所述力控机构用于实时检测高铁白车身拉丝过程中的实际法向力，并据此控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度，以使实际法向力处于设定的参考力范围之内。
按上述技术方案，所述力控机构包括力控传感器。
按上述技术方案，该装置还包括集成在所述拉丝工具上的视觉检测机构，所述视觉检测机构用于对拉丝后的高铁白车身表面平整度进行实时在线检测。
按上述技术方案，所述机器人包括机器人本体和机器人控制柜。
按上述技术方案，该装置还包括沿着高铁白车身长度方向设置的移动导轨，所述机器人放置于所述移动导轨上。
按上述技术方案，所述移动导轨设置于高铁白车身的两侧，每条移动导轨上放置至少两台机器人。
相应的，本发明还提供一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝方法，采用上述基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，包括以下步骤：
S1、根据高铁白车身的外部型面特征、表面拉丝纹路和平整度加工要求，选取适合的拉丝工具安装在机器人的执行末端；
S2、设定各个机器人的拉丝作业区域，并为机器人之间增设信号传输，避免出现机器人干涉与碰撞；
S3、根据高铁白车身表面不同区域的加工工艺要求，对负责加工不同区域的机器人设定相应的加工过程参数，并设定对应的表面平整度参考参数；
S4、机器人夹持拉丝工具加工高铁白车身，拉丝时力控机构实时监测实际法向力Fn，若实际法向力Fn处于设定的参考力范围[Fr-k，Fr+k]之外，则控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度，使实际法向力Fn处在参考力范围[Fr-k，Fr+k]之内。
按上述技术方案，还包括步骤S5、将视觉检测机构安装在拉丝工具上，当拉丝加工完成后，使用视觉检测机构对高铁白车身拉丝集成后的表面平整度进行在线检测，若检测结果达到所允许的平整度质量要求，则结束整个拉丝作业，若检测结果不符合所允许的平整度要求，则进行二次拉丝作业，直至符合表面质量要求。
按上述技术方案，所述表面平整度是一个关于法向力Fn、机器人进给速度vf、拉丝轮的转速vs和高铁白车身材料m有关的函数。
本发明产生的有益效果是：本发明通过拉丝力和机器视觉双重控制，实现高铁白车身机器人化拉丝工艺过程的闭环控制，具体为通过力控机构实现加工过程中的恒力控制，保证加工精度；通过拉丝工具，可以针对高铁白车身表面的外观要求，应用不同类型的拉丝滚轮，实现不同纹路的拉丝作业；通过视觉在线检测机构可以检测已加工表面的平整度，进一步确保高铁白车身表面的加工质量。本发明可实现高铁白车身的机器人化自动拉丝作业，代替传统人工作业方式，将工人从恶劣的作业环境中解放出来，最终实现效率与质量的显著提升。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的侧视图；
图3为本发明实施例中高铁白车身拉丝材料去除的示意图；
图4为本发明实施例的拉丝加工工艺流程图。
图中：1-机器人本体、2-机器人控制柜、3-移动导轨、4-高铁白车身、5-力控传感器、6-夹具、7-视觉检测机构、8-拉丝工具。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，包括机器人(包括机器人本体1和机器人控制柜2)、安装在机器人执行末端的拉丝工具8和力控机构(包括力控传感器5)，拉丝工具8包括用于对高铁白车身进行拉丝作业并形成所需表面纹路的各类拉丝滚轮，安装在机器人末端的夹具6上，力控机构用于实时检测高铁白车身4拉丝过程中的实际法向力Fn(Fn是拉丝力的法向分力)，并据此控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度等加工参数，以使实际法向力处于设定的参考拉丝力Fr(Fr可通过大量工艺试验获得)，实现高铁白车身拉丝过程中的恒力控制。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，力控机构包括力控传感器5，力控传感器通过法兰盘安装在机器人执行末端，拉丝工具通过转接盘安装在力控机构上。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，该装置还包括集成在拉丝工具8上的视觉检测机构7，视觉检测机构7用于对拉丝后的高铁白车身4表面平整度进行实时在线检测。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，机器人包括机器人本体1和机器人控制柜2。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，该装置还包括沿着高铁白车身4长度方向设置的移动导轨3，机器人放置于移动导轨3上，能带动机器人实现高铁白车身全方位拉丝作业。具体的，移动导轨3设置于高铁白车身4的两侧，每条移动导轨上放置至少两台机器人，每台机器人进行分区域协同拉丝作业，以提升整条生产线的加工效率；当某一台机器人出现故障无法完成自身负责的作业工作时，同一条导轨上的其它机器人将增大自身的作业范围，继续进行作业，最终完成整个高铁白车身的加工作业。
如图3、图4所示，一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝方法，采用上述基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，包括以下步骤：
S1、根据高铁白车身的外部型面特征、表面拉丝纹路和平整度加工要求，为不同的机器人选取适合的拉丝工具安装在机器人的执行末端；
S2、根据高铁白车身CAD模型以及实际待加工的表面真实情况，规划出各个机器人的作业区域，通过离线编程设定各个机器人的拉丝作业区域，在离线编程软件中做出多机器人协调加工仿真动画，并为机器人之间增设信号传输，避免出现机器人干涉与碰撞；
S3、根据高铁白车身表面不同区域的加工工艺要求，对负责加工不同区域的机器人设定相应的加工过程参数，例如根据待加工表面的余量大小、高铁白车身材料，并基于大量工艺试验数据，确定合理的力控机器人加工过程参数，并设定对应的表面平整度参考参数(设定表面质量要求和参考力Fr)；
S4、机器人夹持拉丝工具加工高铁白车身，不同机器人各自按照上述理论和方法加工自己工作范围内的区域，依次加工高铁白车身的不同部位，拉丝时力控机构实时监测实际法向力Fn，若实际法向力Fn处于设定的参考力范围[Fr-k，Fr+k]之外，则控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度，使实际法向力Fn处在参考力范围[Fr-k，Fr+k]之内。
步骤S4具体为：加工过程中，力控机构实时监测拉丝轮法向接触力Fn，由于高铁白车身表面待加工余量不同，机器人在作业时通常会影响表面加工精度，当Fn大于参考力上限值Fr+k时，通过PI控制策略，增大拉丝轮转速vs、减小进给速度vf以达到减小实际法向拉丝力Fn的目的；当Fn小于参考力下限值Fr-k时，通过PI控制策略，降低拉丝轮转速vs、增大进给速度vf以达到增大实际法向拉丝力Fn的目的；若监测到的实际法向力Fn处于设定的参考力范围[Fr-k，Fr+k]之内，则保持拉丝轮转速vs、进给速度vf不变。
在本发明的优选实施例中，如图4所示，还包括步骤S5、将视觉检测机构安装在拉丝工具上，当拉丝加工完成后，使用视觉检测机构对高铁白车身拉丝集成后的表面平整度进行在线检测，若检测结果达到所允许的平整度质量要求，则结束整个拉丝作业，若检测结果不符合所允许的平整度要求，则进行二次拉丝作业，直至符合表面质量要求。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，表面平整度是一个关于法向力Fn、机器人进给速度vf、拉丝轮的转速vs和高铁白车身材料m有关的函数，即平整度＝f(Fn,vf,vs,m)。
本发明具有如下特点：1)实现高铁白车身机器人自动化拉丝作业，代替了传统的人工作业方式；2)集合机器人力控技术和基于机器视觉的在线检测技术拉丝加工高铁白车身，形成了机器人加工-测量的闭环控制，保证了高铁白车身表面的加工精度；3)利用多机器人协调作业技术，能够最大幅度提高生产效率。本发明易于实现高铁白车身的柔性自动化拉丝加工，突破传统拉丝加工装备加工模式固定、配置复杂、柔性不足，以及不具备可重构性等局限性，有效提升拉丝质量与效率。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，其特征在于，包括机器人、安装在所述机器人执行末端的拉丝工具和力控机构，所述拉丝工具包括用于对高铁白车身进行拉丝作业并形成所需表面纹路的拉丝滚轮，所述力控机构用于实时检测高铁白车身拉丝过程中的实际法向力，并据此控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度，以使实际法向力处于设定的参考力范围之内。
2.根据权利要求1所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，其特征在于，所述力控机构包括力控传感器。
3.根据权利要求1所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，其特征在于，该装置还包括集成在所述拉丝工具上的视觉检测机构，所述视觉检测机构用于对拉丝后的高铁白车身表面平整度进行实时在线检测。
4.根据权利要求1所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，其特征在于，所述机器人包括机器人本体和机器人控制柜。
5.根据权利要求1所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，其特征在于，该装置还包括沿着高铁白车身长度方向设置的移动导轨，所述机器人放置于所述移动导轨上。
6.根据权利要求5所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，其特征在于，所述移动导轨设置于高铁白车身的两侧，每条移动导轨上放置至少两台机器人。
7.一种基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，包括以下步骤：
S1、根据高铁白车身的外部型面特征、表面拉丝纹路和平整度加工要求，选取适合的拉丝工具安装在机器人的执行末端；
S2、设定各个机器人的拉丝作业区域，并为机器人之间增设信号传输，避免出现机器人干涉与碰撞；
S3、根据高铁白车身表面不同区域的加工工艺要求，对负责加工不同区域的机器人设定相应的加工过程参数，并设定对应的表面平整度参考参数；
S4、机器人夹持拉丝工具加工高铁白车身，拉丝时力控机构实时监测实际法向力Fn，若实际法向力Fn处于设定的参考力范围[Fr-k，Fr+k]之外，则控制机器人的进给速度和拉丝滚轮的旋转速度，使实际法向力Fn处在参考力范围[Fr-k，Fr+k]之内。
8.一种根据权利要求7所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝方法，其特征在于，采用权利要求3中所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝装置，还包括步骤S5、将视觉检测机构安装在拉丝工具上，当拉丝加工完成后，使用视觉检测机构对高铁白车身拉丝集成后的表面平整度进行在线检测，若检测结果达到所允许的平整度质量要求，则结束整个拉丝作业，若检测结果不符合所允许的平整度要求，则进行二次拉丝作业，直至符合表面质量要求。
9.一种根据权利要求8所述的基于机器人手眼控制的高铁白车身自动化拉丝方法，其特征在于，所述表面平整度是一个关于法向力Fn、机器人进给速度vf、拉丝轮的转速vs和高铁白车身材料m有关的函数。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181012

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